1.서 론
InAs/GaAs 자기조립 양자점(self-assembled quantum dots: QDs)을 이용한 QD 적외선 소자(QD infrared photodetectors: QDIPs)는 차세대 열상 감지소자로 큰 관심 속에 연구 되고 있다. 적외선 감지소자는 군수용에서 민수용까지 응 용범위가 폭넓게 확대되어왔고 적외선 파장범위에 따라 활용분야가 다양해지고 있다.1-4) 다양한 방식의 적외선 검 출기 중 반응속도가 빠르고 검출능력이 우수한 양자형 검출기로써는 mercury cadmium telluride(MCT)나 양자 우물 적외선 소자(quantum-well infrared photodetectors: QWIPs)가 주로 상용화되어 왔다. 그러나 MCT의 경우 넓은 감지 파장영역과 높은 양자효율의 강점을 가지고 있지만 성장기판의 불안정성으로 대면적 소자제작이 어 렵고 기계적, 화학적 결함 취약성이 단점으로 알려져 있 다.5) QWIPs은 GaAs 기반의 안정된 에피 성장기술을 통 해 균일한 대면적 성장 및 공정이 가능하지만 수직으로 입사하는 빛을 감지할 수 없어 소자표면에 감응을 위한 그레이팅 공정을 추가하여야 하고 상대적으로 낮은 동 작온도(<77 K)의 단점이 있다.6) 이에 반해, QDIPs은 3 차원적으로 운반자를 양자구속하여 발생하는 불연속적 에 너지 준위로 인해 QWIPs에 비해 낮은 암전류를 가지 고, 기존의 QWIP 소자공정을 그대로 적용 가능하면서 도 수직으로 입사되는 빛의 감지가 가능하다는 강점을 가지고 있다.7-12)
QDIPs의 특성은 기판온도, Ⅲ/Ⅴ족 비율, 성장속도 등 에 의한 양자점의 형태나 도핑농도, 소자구조 등의 여 러 요소에 따라 크게 영향을 받게 되는데, 성장 매개변 수나 공정변수 등은 폭넓은 연구가 진행되고 있으나 상 대적으로 직접도핑에 관한 연구는 깊게 진행되지 않았 다.13) 직접도핑은 농도에 따라 양자점의 특성변화에 기 여하며 양자점 구조에 광전류 발생을 위한 운반자 공급 의 매개체로써 적외선 소자 특성의 주요한 변수로 작용 할 수 있다.14) 본 연구에서는 분자선 에피텍시(molecular beam epitaxy: MBE)법을 사용하여 InAs/InGaAs 자기조 립 양자점이 적용된 적외선 소자를 성장하고 양자점 활 성층의 직접도핑 유무에 따른 소자 특성의 차이를 논하 고자 한다. QDIP 소자는 GaAs 기판에 InAs 양자점이 In0.15Ga0.85As 양자우물 구조에 둘러싸여 있는 dots-inwell( DWELL) 구조를 기반으로 활성층에 도핑을 하지 않 은 n+-i(양자점)-n+ 구조와 활성층에 Si dopant를 2×1017/ cm3 도핑한 n+-n-(양자점)-n+ 구조(Fig. 1)를 성장하였으 며, photoluminescence(PL) 및 적외선 광전류 스펙트럼, 암전류 특성을 비교 분석하였다.
2. 실험 방법
QDIP 소자는 Fig. 1과 같은 구조로 MBE를 이용하여 반절연성 GaAs(100) 웨이퍼에 성장되었다. 도핑 되지 않 은 GaAs 버퍼층을 200 nm 두께로 성장한 후 Si이 도핑 된 n+ GaAs 하부전극 층을 570 ºC에서 성장하였다. 이 후 양자점을 포함하는 DWELL구조의 활성층을 495 ºC 에서 7회 반복 적층 하였고 마지막으로 Si이 도핑 된 n+ GaAs 상부전극 층을 570 ºC에서 성장하여 소자구조를 완 성하였다. 상하부 n+ GaAs 전극층의 두께는 각각 600 nm와 200 nm이며 도핑농도는 2×1018/cm3 이다. 자발형성 양자점은 1 nm 두께의 In0.15Ga0.85As 위에 2 ML의 InAs를 성장시켜 형성하였다. 이후 6 nm 두께의 In0.15Ga0.85As 층과 50 nm의 GaAs를 양자점의 capping 층으로 증착하 였다. 위와 같은 양자점 층을 7번 반복하여 활성층을 형 성하였다. 도핑 양자점 소자의 경우, 동일한 구조의 2.0 ML InAs 성장 시, 2×1017/cm3 농도의 Si dopant를 직 접도핑 하였다. 도핑농도는 Hall 측정을 통해 보정된 Si 셀 온도를 설정하여 조절되었다. QDIP 소자는 자외선 사 진공정과 BCl3를 사용하는 유도결합 플라즈마 반응성 이 온 식각장치를 이용하여 410×410 μm2 크기의 메사구조 로 제작하였다. 건식 식각의 플라즈마 이온으로 인해 생 기는 표면 결함층은 이전 연구와 동일하게 citric acid 수 용액(C6H8O7: H2O = 50 : 1)으로 습식 식각하여 제거하였 다. QDIP의 접합층에는 Ge/Au/Ni/Au를 진공 증착한 후 380 ºC에서 1분간 급속 열처리 공정을 통해 Ohmic 접 촉을 형성하였다.15) 제작된 소자는 cryostat에 장입하여 퓨 리에 변환 적외선 분광기(Nicolet Instrument, Inc.)를 이 용하여 광전류 스펙트럼 및 암전류를 측정하였다.16)
3. 결과 및 고찰
Fig. 2는 상온에서의 도핑 유무에 따른 QDIPs의 PL 스펙트럼을 보이고 있다. 미도핑 양자점 소자(undoped QDIP)의 피크는 1.01 eV에 위치하지만, 도핑 양자점 소 자(doped QDIP)의 경우 1.04 eV로 약간 청색 편이(blue shifted)된 PL 피크를 보였으며, 이는 도핑으로 인한 양 자점 내의 state filling 효과에 의한 것일 수 있다.13) 아 래에서 보일 두 QDIPs 간의 광전류 스펙트럼 피크 차 이가 크지 않은 것으로 미루어 InAs 양자점 크기 차이 에 의한 영향은 배제할 수 있을 것으로 사료된다. 또한 doped QDIP의 PL 피크 반가폭은 약 70 meV로 undoped QDIP(~53 meV)보다 약간 크게 관찰된다. 이 역시 도핑 에 의한 양자점 균일성 감소와 더불어 state filling 효과 에 의한 전자의 기저 및 여기 에너지 준위로 부터의 천 이가 영향을 미친 것으로 보인다.
Fig. 3(a)와 (b)는 undoped QDIP과 doped QDIP의 온 도에 따른 광전류 스펙트럼 특성을 나타낸 것으로, undoped QDIP은 8.36 μm의 피크를 보이며 6~10 μm 영역의 적 외선 파장에 감응하는 특성을 가졌다. Doped QDIP의 스 펙트럼 피크는 약 8.2 μm로 undoped QDIP와 큰 차이 가 없으나, 적외선 반응은 5~12 μm에서 약간 더 넓은 영 역을 감지하는 특성을 보이고 있다. 도핑 유무에 따라 가장 차이를 보이는 특성은 측정온도에 따른 광전도 특 성이었다. Undoped QDIP의 경우 10 K에서 50 K까지 온도가 올라감에 따라 광전류 값이 감소하였고 그보다 높은 온도에서는 반응을 확인할 수 없었다. Doped QDIP 은 온도가 올라감에 따라 광전류 값이 감소하여 30 K까 지 에서만 적외선에 감응하는 특성을 보였다.
반면 같은 10 K에서는 doped QDIP이 undoped QDIP 에 비해 더 강한 광전류값을 보였다[Fig. 4(a)]. 이러한 광전도 스펙트럼 특성은 Fig. 4(b)의 양자점 에너지밴드 구조 모식도에서 표현한 바와 같이 Si 도핑이 전자의 intraband 천이 특성에 영향을 주기 때문으로 보인다. Undoped QDIP은 양자점의 가장 낮은 기저상태에서만 전 자들이 존재하게 되고 적외선에 의해 InAs 양자점과 InGaAs 양자우물이 결합되어 있는 에너지 준위로 여기 되어 광전류특성에 기여하게 된다. 반면 doped QDIP의 경우 전자는 양자점의 기저상태와 그 위의 에너지 준위 에 존재하게 되고 적외선에 의해 InAs 양자점과 InGaAs 양자우물이 결합되어 있는 에너지 준위 또는 GaAs의 벌 크 연속준위로 여기하게 되어 광전류특성에 기여하는 것 으로 판단된다.8) 이에 따라 10 K에서는 양자점 안에 많 은 전자를 가지고 있는 doped QDIP이 더 큰 광전류 특 성을 보일 수 있다.17) 그러나 소자 동작온도가 올라감에 따라 양자점 에너지 준위에 있는 전자가 입사되는 적외 선이 아닌 주변 열에너지에 의해 여기될 수 있다. Doped QDIP의 경우 전자들이 기저 에너지 상태를 채우고 더 높은 에너지 준위에 존재하기에, 즉 양자점에 더 작은 에너지로 구속되어 있는 상태이기에 열 에너지에 의해 전자들이 양자 에너지 준위로부터 GaAs 연속 에너지 준 위로 보다 높은 확률로 여기된다[Fig. 4(b)]. 이에 따라 50 K 이상에서는 doped QDIP의 경우 주변 잡음 신호 가 커지게 되어 오히려 광전류 특성을 관찰할 수 없게 되는 것으로 사료된다. 이러한 차이는 undoped와 doped QDIPs의 암전류 특성 결과와도 일치하는 것이다.
Fig. 4
(a) Intraband photocurrent spectra at 10 K and (b) schematic energy-band diagrams of undoped and doped QDIPs.
Fig. 5(a)와 (b)는 각각 undoped 및 doped QDIP의 온도 에 따른 암전류 특성을 나타낸 것으로써, undoped QDIP 가 doped QDIP에 비해 암전류가 약 10배 이상 낮은 것 을 알 수 있다. 동일한 구조임에도 암전류 값의 차이가 크게 발생하는 것은 앞서서 논의한 직접 도핑으로 인한 초과전자의 영향으로 이해할 수 있다. 일정수준 이상의 도핑은 양자점의 여기상태를 전자로 채우게 되고, 이러 한 여기상태의 운반자들은 GaAs 가장자리 전도대에 대 해 낮은 결합 에너지를 가지게 된다.18) 충분히 낮은 온 도에서는 광전류에 기여하던 운반자들은 온도가 상승하 면서 열에너지를 받아 암전류에 보다 더 쉽게 기여하게 되며, 결과적으로 암전류가 증가함에 따라 Fig. 5의 결 과와 같이 undoped QDIP가 더 높은 온도에서도 감응 특성을 확보한 것으로 보인다. 이와 같이 양자점을 포 함하는 활성층의 도핑에 대한 최적화 연구가 진행된다 면 고온에서 동작하는 보다 향상된 성능의 양자점 적외 선 소자 구현이 가능할 것으로 보인다.
4.결 론
본 연구에서는 MBE를 이용해 반절연성 GaAs(100) 웨 이퍼 위에 도핑유무에 따른 양자점 적외선 소자를 성장 하였다. Doped QDIP의 광전도 스펙트럼 피크는 8.4 μm 로 undoped QDIP과 유사했지만 감지파장영역이 5~12 μm로 6~10 μm 영역의 undoped QDIP보다 약간 더 확 장된 광전도 감응 스펙트럼 특성을 나타내었다. 10 K의 극저온의 광전류 세기는 도핑으로 인한 운반자의 양이 증가한 doped QDIP가 더 높게 나타났다. 반면 암전류 는 doped QDIP이 약 10배 정도 더 높았으며 이는 Si 도핑으로 양자점의 여기상태가 운반자로 채워졌기 때문 으로 판단된다. 따라서 undoped QDIP이 상대적으로 높 은 온도까지 광전도 특성을 보였다. 이와 같이 QDIP 구 조에서 도핑이 광전류 감응 스펙트럼 및 암전류, 소자 작동온도 특성에 크게 영향을 미친다는 것을 확인할 수 있었으며 고감도 고온동작 QDIP을 위해서는 도핑농도의 최적화가 필수적임을 확인하였다.
